JP2570654B2 - 変位検出装置 - Google Patents

変位検出装置

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JP2570654B2 JP62308650A JP30865087A JP2570654B2 JP 2570654 B2 JP2570654 B2 JP 2570654B2 JP 62308650 A JP62308650 A JP 62308650A JP 30865087 A JP30865087 A JP 30865087A JP 2570654 B2 JP2570654 B2 JP 2570654B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、移動体の変位をホール素子を使用して検出
する変位検出装置であって、特に車両用電動ステアリン
グのトルク検出器に適用して好適なものである。
〔従来の技術〕
一般にホール素子を使用した変位検出装置は、ホール
素子自体が温度依存性を有するため、温度補償を行う必
要がある。
この温度補償を行うために、従来第７図（ａ）に示す
ように、ホール素子50に対する入力電流回路にサーミス
タ51を介挿したり、第７図（ｂ）に示すように、ホール
素子50の電圧出力側にサーミスタ52を介挿したり、第７
図（ｃ）に示すように、定電圧入力回路を適用したりし
て温度補償を行うようにしているのが一般的である。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、上記従来のホール素子の温度補償方式
にあっては、温度が変化すると磁石の磁束密度も変化す
るため、ホール素子の感度も併せて補償する必要がある
が、そのためには補償回路が複雑となると共に正確な感
度補償を行うことができず、しかもホール素子及び磁石
の温度による特性変化のバラツキを含めて補償すること
ができず、正確な変位検出を行うことができないという
問題点があった。
また、１組のホール素子を使用してその出力電圧で変
位を検出するようにしていたので、ホール素子の出力電
圧に異常が生じたときに、その異常状態を検出すること
ができない問題点もあった。
そこで、本発明の第１の目的は、ホール素子及び磁石
の温度変化による特性変化のバラツキを含めた温度補償
及び感度補償を正確に行うことができる変位検出装置を
提供することにあり、また本発明の第２の目的は、変位
検出装置の変位検出電圧を監視して異常状態を検出する
ことが可能な変位検出装置を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、第１の発明は、移動体の
変位方向に隣接されて配設され互いに逆極性に着磁され
た一対の磁石と、該一対の磁石に対向する位置に前記変
位方向に所定間隔を保って配置される第１及び第２のホ
ール素子とを前記移動体の変位に応じて相対移動可能に
配設し、前記第１及び第２のホール素子に供給する入力
電流を、当該第１及び第２のホール素子の出力電圧の差
値に応じた値に同時に制御して両ホール素子の出力電圧
の傾きを補正する電流制御回路を設けたことを特徴とし
ている。
また、第２の発明は、移動体の変位方向に隣接されて
配設され互いに逆極性に着磁された一対の磁石と、該一
対の磁石に対向する位置に前記変位方向に所定間隔を保
って配置される第１及び第２のホール素子とを前記移動
体の変位に応じて相対移動可能に配設し、前記第１及び
第２のホール素子に供給する入力電流を、当該第１及び
第２のホール素子の出力電圧の差値に応じた値に同時に
制御して両ホール素子の出力電圧の傾きを補正する電流
制御回路と、前記第１及び第２のホール素子の出力電圧
の差値を基準値と比較して異常状態の有無を検出する異
常状態検出回路とを設けたことを特徴としている。
〔作用〕
第１の発明においては、互いに逆極性に着磁された一
対の磁石に対向する移動体の変位方向に所定間隔を保っ
て配設された第１及び第２のホール素子から位相のずれ
た変位検出電圧を出力し、電流制御回路で両変位検出電
圧の差値に応じて前記第１及び第２のホール素子に入力
する入力電流を同時に制御する。すなわち、ホール素子
周囲の温度が上昇すると、ホール素子の感度が低下する
と共に、磁石の磁界も弱くなり、第１及び第２のホール
素子の変位に対する検出電圧の傾きが小さくなり、これ
に応じて両変位検出電圧の差値が小さくなるため、電流
制御回路で第１及び第２のホール素子に対する入力電流
を増加させることにより、第１及び第２のホール素子の
変位に対する変位検出電圧の傾きを補正して、温度補償
及び感度補償を行って、正確な変位検出電圧を得ること
ができる。
また、第２の発明においては、前記第１の発明の作用
に加えて、異常状態検出回路で第１及び第２のホール素
子から出力される変位検出電圧の差値を基準値と比較
し、変位検出電圧の差値が基準値を越える状態となると
何れか一方のホール素子が異常状態となったものと判断
する。すなわち、何れか一方のホール素子が故障する
と、第１及び第２のホール素子から出力される変位検出
電圧の差値が正常状態の差値から大きく外れることにな
り、両者の差値を監視することにより、ホール素子の異
常状態を検出することができる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第１図（ａ）及び（ｂ）は夫々本発明の一実施例を示
す縦断面図及びそのＢ−Ｂ断面図である。
図中、１はケース体であって、上面及び下面を開放し
た方形枠体1aと、その上面及び下面を閉塞する上面板1b
及び下面板1cとで構成されている。
方形枠体1aには、その内周面の前後端部側に互いに平
行な案内ロッド2a,2bが取付けられ、これら案内ロッド2
a,2bに非磁性体製の磁石ホルダ３が摺動自在に案内され
ている。この磁石ホルダ３には、その摺動方向に隣接し
て一対の永久磁石4a,4bがそれらの上面を開放して固着
されている。永久磁石4a,4bは互いに逆極性となるよう
に、永久磁石4aは上面側がＮ極に下面側がＳ極に夫々着
磁され、永久磁石4bは上面側がＳ極に下面側がＮ極に基
板着磁されている。したがって、両永久磁石4a,4bの隣
接位置で磁界が零となり、永久磁石4a側で正の磁界が、
永久磁石4b側で負の磁界が夫々形成される。
また、磁石ホルダ３の左端面中央部に、方形枠体1aの
左側板に形成された透孔1dを貫通して外方に突出する連
結シャフト５が一体に取付けられ、この連結シャフト５
に変位検出対象となる移動体（図示せず）が連結され
る。
一方、方形枠体1aの磁石ホルダ３に上方から対向する
位置にプリント基板６が上面板1bによって挟着され、こ
のプリント基板６の下面における、磁石ホルダ３が方形
枠体1aの中央部に位置する中立状態で、その永久磁石4
a,4bの境界位置側に対向する位置に、磁石ホルダ３の摺
動方向に所定間隔を保って第１及び第２のホール素子7
a,7bが固定配置され、且つプリント基板６の上面には、
後述する制御装置10を構成する各電子回路素子が実装さ
れている。ここで、磁石ホルダ３の変位と、ホール素子
7a,7b間の中央部での磁束密度との関係は、第３図に示
すように、磁気ホルダ３が中立位置にある状態から左右
方向に変位したときに、左方向の変位ではその変位量の
増加に反比例して磁束密度が減少し、右方向の変位では
その変位量の増加に正比例して磁束密度が増加するよう
に設定されている。
そして、各ホール素子7a,7bが第２図に示す制御装置1
0に接続されている。
この制御装置10は、各ホール素子7a,7bの電圧出力側
に夫々接続された差動増幅器11a,11bと、各ホール素子7
a,7bの電流入力側に夫々接続された電流制御回路12とを
備えている。
差動増幅器11a,11bの夫々は、非反転入力側及び反転
入力側が夫々抵抗R1及びR2を介してホール素子7a,7bの
電圧出力側に接続されたオペアンプ13を有し、その非反
転入力側及び正の電源間に抵抗R3が、反転入力側及び出
力側間に抵抗R4が夫々接続されている。
電流制御回路12は、電流入力側の一端が正の直流電源
に接続されたホール素子7a,7bの他方の電流入力側にコ
レクタが接続されたトランジスタQa,Qbと、それらのエ
ミッタ及び接地間に介挿された抵抗Ra,Rbと、差動増幅
器11a,11bの出力電圧Va及びVbが入力される差動増幅器1
4と、この差動増幅器14の出力電圧V0が非反転入力側に
トランジスタQa,Qbのエミッタ電圧が反転入力側に夫々
入力され且つ出力側がトランジスタQa,Qbのベースに接
続されたオペアンプ15a,15bとを備え、トランジスタQa,
Qb、抵抗Ra,RB及びオペアンプ15a,15bで定電流回路を構
成している。ここで、差動増幅器14は、オペアンプ14a
を有し、その非反転入力側に抵抗R5を介して差動増幅器
11aの出力電圧Vaが、反転入力側に抵抗R6を介して差動
増幅器11bの出力電圧Vbが夫々入力され、且つオペアン
プ14aの非反転入力側及び正の電源間に抵抗R3が、出力
側及び反転入力側間に抵抗R4が夫々接続されている。
次に、上記実施例の動作を説明する。今の永久磁石4
a,4b及びホール素子7a,7bの周囲の温度が例えば常温で
あるときに、制御装置10の差動増幅器11a,11bから磁石
ホルダ３の中立位置からの変位に対して夫々第４図で実
線図示の平行な特性曲線la1及びlb1で表される変位検出
電圧Va及びVbが出力されるように、差動増幅器11a,11b
及び電流制御回路12が調整されているものとする。
この状態で、永久磁石4a,4b及びホール素子7a,7bの周
囲温度が上昇すると、これに応じて永久磁石4a,4bによ
って生じる磁束密度が減少すると共に、ホール素子7a,7
bの感度が低下することにより、差動増幅器11a,11bの出
力電圧Va,Vbは、第４図で破線図示の特性曲線la2及びl
b2のように変位ｘに対する傾き即ち電圧変化率が小さく
なる。このように、出力電圧Va,Vbの変化率が小さくな
ると、両出力電圧Va,Vbの差値（Vb−Va）も小さな値と
なる。このため、電流制御回路12の差動増幅器14の出力
電圧V0は、V0＝VS1−ｋ（Vb−Va）（但し、VS1はオペア
ンプ14aの非反転入力側に抵抗R7を介して接続された直
流電源の電圧、ｋは抵抗R5〜R8で決定される定数）で表
わすことができるので、差値（Vb−Va）の減少に伴って
出力電圧V0が増加することになり、これがオペアンプ15
a,15bの非反転入力側に入力される。したがって、オペ
アンプ15a,15bの出力電圧が増加し、これに応じてトラ
ンジスタQa,Qbのコレクタ−エミッタ間を流れる電流が
増加し、結果的にホール素子7a,7bに供給される電流が
増加する。
このように、ホール素子7a,7bに供給される電流が増
加すると、これに応じてホール素子7a,7bの出力電圧の
傾き即ち電圧変化率が増加し、差動増幅器11a,11bの出
力電圧Va,Vbの電圧変化率も増加する。
すなわち、第４図の出力電圧Va,Vbと変位ｘとの関係
は下記（１）式及び（２）式で表される。
ｘ＝−αVa−β ……（１） ｘ＝−αVb＋β ……（２） また、出力電圧Va,Vbは、下記（３）式及び（４）式
で表すことができる。
Va＝VS2−k VHa ……（３） Vb＝VS2−k VHb ……（４） ここで、VS2は差動増幅器11a,11bの非反転入力側に抵
抗R3を介して入力される正の直流電源電圧、VHa,VHbは
ホール素子7a,7bの出力電圧である。
そして、ホール素子7a,7bの出力電圧VHa,VHbは下記
（５）式及び（６）式で表すことができる。
VHa＝（RH/d）IB ……（５） VHb＝（RH/d）IB ……（６） ここで、（RH/d）は積感度、Ｉは入力電流、Ｂは磁束
密度である。
したがって、（３）〜（６）式を（１）式及び（２）
式に代入して第４図の特性曲線la1及びlb1の傾きαa,α
ｂを算出すると下記（７）式及び（８）式で表すことが
できる。
αａ＝（β−ｘ）／｛VS2−（RHa/d）IB｝ ……（７） αｂ＝（β−ｘ）／｛VS2−（RHb/d）IB｝ ……（８） これら（７）式及び（８）式から明らかなように、ホ
ール素子7a,7bに入力する電流Ｉを増加させると、ホー
ル素子7a,7bの感度が高くなって差動増幅器11a,11bの出
力電圧Va,Vbの傾きαa,αｂが増加することになる。
そして、出力電圧Va,Vbの傾きαa,αｂが増加する
と、電流制御回路12の差動増幅器14の出力電圧V0が減少
するが、これに応じてホール素子7a,7bの入力電流Ｉも
減少し、差動増幅器11a,11bの出力電圧Va,Vbの傾きαa,
αｂも減少するので、差動増幅器14の出力電圧V0が増加
し、結局出力電圧Va,Vbの差値（Vb−Va）が温度上昇に
かかわらず特性曲線la1及びlb1における差値と略一致す
る一定値に維持される。
同様に、永久磁石4a,4b及びホール素子7a,7bの周囲温
度が常温より低下すると、これに応じて永久磁石4a,4b
による磁界が強くなると共に、ホール素子7a,7bの感度
が高くなって、差動増幅器11a,11bの出力電圧Va,Vbの差
値（Vb−Va）が大きくなるので、電流制御回路12の差動
増幅器14の出力電圧V0が小さくなり、ホール素子7a,7b
に供給される入力電流が小さくなって、差動増幅器11a,
11bの出力電圧Va,Vbの傾きαa,αｂも小さくなって、特
性曲線la1,lb1の傾きと略一致するようになる。
なお、移動体の変位検出値としては、差動増幅器11a,
11bの出力電圧Va,Vbの平均値を算出し、これを変位検出
値として採用する。
次に、第２の発明の一実施例を第５図について説明す
る。
この実施例は、ホール素子7a,7bの出力電圧を増幅し
た変位検出電圧Va,Vbの何れか一方が異常状態となった
ときにこれを検出することができるようにしたものであ
る。
第５図において、電流制御回路12の差動増幅器14の出
力電圧V0が異常状態検出回路20にも入力され、この異常
状態検出回路20で変位検出電圧Va,Vbの異常の有無を検
出するようにしたことを除いては、前記第１の発明の実
施例と同様の構成を有し、第２図との対応部分には同一
符号を付しその詳細説明はこれを省略する。
異常状態検出回路20は、差動増幅器14の出力電圧V0が
非反転入力側に、上限基準電圧VUが反転入力側に夫々入
力されるオペアンプ21aと、差動増幅器14の出力電圧V0
が反転入力側に、下限基準電圧VLが非反転入力側に夫々
入力されるオペアンプ21bとを有し、両オペアンプ21a及
び21bの出力側が抵抗R9及びR10を介して互いに接続され
て正の直流電源に接続された所謂ウインドコンパレータ
で構成され、抵抗R9及び抵抗R10の接続点からV0＜VL,V0
＞VUのときに、高レベルとなる異常状態検出信号ASが出
力される。ここで、上限基準電圧VU及び下限基準電圧VL
は、変位検出電圧Va,Vbが正常状態であるときに、両者
の差値（Vb−Va）が温度特性に応じてとり得る値に許容
値を見込んだ値に設定されている。
次に、上記実施例の動作を説明する。今、ホール素子
7a,7b及び差動増幅器11a,11bを含む系が正常状態である
ときには、差動増幅器11a,11bの出力電圧Va,Vbの傾き
が、ホール素子7a,7bの周囲における温度変化に応じて
変化することにより、出力電圧Va,Vbの差値（Vb−Va）
が所定範囲内で変化し、したがって、電流制御回路12の
差動増幅器14の出力電圧V0も上限基準電圧VU及び下限基
準電圧VLの範囲内となる（VL≦V0≦VU）、このため異常
状態検出回路20の異常検出信号ASは低レベルとなってい
る。
この正常状態から例えばホール素子7aを含む系に断
線、故障等が生じて差動増幅器11aの出力電圧VaがVS2と
なったときには、他方の正常な差動増幅器11aからは磁
石ホルダ３の変位ｘに応じた値の出力電圧Vbが出力さ
れ、両者の差値（Vb−Va）に基づく差動増幅器14の出力
電圧V0がV0＜VL又はV0＞VUとなって、異常状態検出回路
20から高レベルの異常検出信号ASを出力し、ホール素子
7a及び7bの何れか一方が異常状態であることを報知する
ことができる。
したがって、この第２の発明の実施例によれば、ホー
ル素子7a及び7bを含む系の何れかが異常状態となったと
きに、これを検出することができ、異常状態の変位検出
値に基づいて誤制御を行うことを確実に防止することが
できる。
次に、本発明を例えば自動車のステアリングホイール
に入力される操舵トルクを検出するトルク検出器に適用
した場合の実施例を第６図について説明する。
第６図において、30は中空のハウジングであって、こ
のハウジング30内に同軸的に２組の遊星歯車組31が配設
されている。上側の遊星歯車組31のピニオンキャリヤ33
がステアリングホイールに連結された入力軸（図示せ
ず）に連結され、下側の遊星歯車組のピニオンキャリヤ
33が入力軸34にトーションバー35を介して連結された出
力軸36に接続されている。そして、トーションバー35の
捩じれによる入力軸と出力軸36との回転角差に応じて上
側の遊星歯車組31のリングギヤ37が回転する。
リングギヤ37の外周面には、係合凹部38が形成され、
この係合凹部38にハウジング30にリングギヤ37の接線方
向に摺動自在に配設されたスプール39に固着されたピン
40の球状部40aが係合されている。スプール39は、ばね4
1によって中立位置に付勢されている。以上の構成は、
実開昭59−9974号に記載されているものと同様の構成を
有する。
そして、スプール39の左端に変位検出装置の連結シャ
フト５が連結されている。ここで、変位検出装置の構成
は、第１図及び第２図と同様の構成を有し、対応部分に
は同一符号を付しその詳細説明はこれを省略する。
次に、上記実施例の動作を説明する。今、ステアリン
グホイールに操舵トルクを作用させていない状態では、
入力軸と出力軸36とに回転角差を生じないので、上側の
遊星歯車組のリングギヤ37は中立位置を保持し、これに
ピン40を介して連結されたスプール39も中立位置を保持
するので、変位検出装置の差動増幅器11a,11bからは第
４図のおける特性曲線la1及びlb1と縦軸との交点におけ
る電圧VaN,VbNが出力されており、これら電圧VaN,VbNの
平均値を算出することにより、変位ｘが零即ち操舵トル
クが零であることを検出することができる。
この中立状態からステアリングホイールを例えば右辺
りすると、そのときの操舵トルクに応じてリングギヤ37
が右回転し、スプール39がばね41に抗して右動すること
により、変位検出装置の磁石ホルダ３も右動する。この
ため、差動増幅器11a,11bの出力電圧Va,Vbが増加し、両
者の平均値も増加するので、右切り時の操舵トルクを検
出することができる。
なお、上記各実施例においては、磁石ホルダ３を変位
検出対象の移動に応じて移動させる場合について設計し
たが、これに限定されるものではなく、磁石4a,4bを固
定し、ホール素子7a,7bを変位検出対象の移動に応じて
移動させるようにしてもよい。
また、上記各実施例においては、差動増幅器11a,11b
の出力電圧Va,Vbの平均値を変位検出値とする場合につ
いて説明したが、これに限らず何れか一方の差動増幅器
の出力に中立位置からの偏差に応じた電圧を増減して変
位検出値とするようにしてもよい。
さらに、磁石としては、永久磁石4a,4bに限らず電磁
石を適用するようにしてもよい。
またさらに、本発明による変位検出装置は、トルク検
出装置に適用する場合に限らず、他の任意の移動体の変
位を検出する場合に適用し得ることは勿論である。
〔発明の効果〕
以上のように、第１の発明によれば、移動体の変位に
応じて相対移動する、互いに逆方向に着磁された磁石
と、これら磁石に対向して移動体の変位方向に所定間隔
を保って配設された第１及び第２のホール素子とを設
け、両ホール素子に供給する入力電流を各ホール素子の
出力電圧の差値に応じて同時に制御するようにしたの
で、各ホール素子及び磁石の温度特性の辺器にかかわら
ず各ホール素子の変位検出電圧の差値を一定とすると共
に、変位検出電圧の変位に対する傾き即ち電圧変化率を
常に一定値に維持することができるから、磁石及び各ホ
ール素子間における距離の誤差、磁石及び各ホール素子
の固体差による変位検出装置全体の感度の誤差を少なく
することができ、変位の検出を正確に行うことができる
効果を得ることができる。
また、第２の発明によれば、各ホール素子の出力電圧
差を基準値と比較して異常状態の有無を検出する異常検
出回路が設けられているので、上記第１の発明の効果に
加えて、何れか一方のホール素子を含む系の異常状態を
正確に検出することができ、異常状態発生時に変位検出
値を使用した制御機器の誤動作を防止することができる
効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）及び（ｂ）は夫々本発明の一実施例を示す
縦断面図及びそのＢ−Ｂ線断面図、第２図は第１の発明
における制御装置の一例を示す回路図、第３図は磁石の
変位と磁束密度との関係を示す特性曲線図、第４図は変
位と差動増幅器の出力電圧との関係を示す特性曲線図、
第５図は第２の発明における制御装置の一例を示す回路
図、第６図は本発明をトルク検出器に適用した場合の一
例を示す断面図、第７図（ａ）〜（ｃ）は従来の温度補
償方式を示す回路図である。 １……ケース体、３……磁石ホルダ、4a,4b……永久磁
石、５……連結シャフト、7a,7b……ホール素子、10…
…制御装置、11a,11b……差動増幅器、12……電流制御
回路、13……オペアンプ、14……差動増幅器、15a,15b
……オペアンプ、20……異常状態検出回路

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】移動体の変位方向に隣接されて配設され互
    いに逆極性に着磁された一対の磁石と、該一対の磁石に
    対向する位置に前記変位方向に所定間隔を保って配置さ
    れる第１及び第２のホール素子とを前記移動体の変位に
    応じて相対移動可能に配設し、前記第１及び第２のホー
    ル素子に供給する入力電流を、当該第１及び第２のホー
    ル素子の出力電圧の差値に応じた値に同時に制御して両
    ホール素子の出力電圧の傾きを補正する電流制御回路を
    設けたことを特徴とする変位検出装置。
  2. 【請求項２】前記移動体は入力軸に加えられたトルクを
    変位に変換するように構成されている特許請求の範囲第
    １項記載の変位検出装置。
  3. 【請求項３】移動体の変位方向に隣接されて配設され互
    いに逆極性に着磁された一対の磁石と、該一対の磁石に
    対向する位置に前記変位方向に所定間隔を保って配置さ
    れる第１及び第２のホール素子とを前記移動体の変位に
    応じて相対移動可能に配設し、前記第１及び第２のホー
    ル素子に供給する入力電流を、当該第１及び第２のホー
    ル素子の出力電圧の差値に応じた値に同時に制御して両
    ホール素子の出力電圧の傾きを補正する電流制御回路
    と、前記第１及び第２のホール素子の出力電圧の差値を
    基準値と比較して異常状態の有無を検出する異常状態検
    出回路とを設けたことを特徴とする変位検出装置。
  4. 【請求項４】前記移動体は入力軸に加えられたトルクを
    変位に変換するように構成されている特許請求の範囲第
    ３項記載の変位検出装置。
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